Resumen
El objetivo del presente proyecto es recopilar los conocimientos necesarios para que los alumnos de Formación Professional del ciclo formativo de Diseño mecánico en el módulo M5 Moldes poliméricos, partiendo de cero, puedan diseñar un pieza de plástico y su molde de inyección asociado mediante el software Catia® en los módulos de Part desing, Generative Shape desing y Mold Tooling desing, simularla mediante Moldflow® Plastics, rediseñarla y optimizarla, de forma que el documento que se redactará servirá de guía para trabajar en clase todos los conceptos necesarios.
En los ciclos formativos de formación profesional la formación es eminentemente práctica, y por ese motivo se plantea el proyecto como la resolución de un caso práctico, se usarán los conceptos teóricos necesarios, pero serán un medio para la realización del objetivo, es decir, el diseño correcto de la pieza y del molde.
El caso práctico propuesto y resuelto es el molde de una familia de 4 embudos de diferentes medidas, que deberán ser proyectados, las medidas de los embudos se introducirán mediante una hoja de cálculo, una vez diseñados se simulará el llenado de plástico de forma individual en cada uno de los 4, con tres materiales distintos, esto permitirá elegir el material adecuado.
Para diseñar el molde se deben transformar los sólidos en superficies ya que el módulo del software obliga a trabajar con superficies para generar las cavidades, una vez tenemos las cavidades se procederá a incorporar en el molde todos los elementos que permitirán inyectar y expulsar la pieza.
La procedencia de los alumnos es muy variada, por tanto no se sabe que conocimientos tienen, eso representa una dificultad inicial ya que el módulo consta de 99 horas en las que tendrán que adquirir los conocimientos del funcionamiento del software, y de forma paralela la teoría necesaria que hace referencia a la inyección de plásticos.
Es muy importante entender que este proyecto pretende ser un documento didáctico, es por ese motivo que alguno de los apartados no se incluirían en un documento al uso tradicional.
Sumario
RESUMEN ___________________________________________________ 1
SUMARIO ____________________________________________________ 3
ÍNDICE DE FIGURAS __________________________________________ 6
ÍNDICE DE TABLAS. ___________________________________________ 9
1.
PREFACIO ______________________________________________ 11
1.1.
Origen del proyecto ... 11
1.2.
Motivación... 11
1.3.
Requerimientos previos ... 11
2.
INTRODUCCIÓN _________________________________________ 13
2.1.
Objetivos del proyecto ... 13
2.2.
Alcance del proyecto ... 14
3.
CARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL TERMOPLÁSTICO _______ 15
3.1.
Características generales de los polímeros ... 15
3.1.1. Cristalinidad ... 15
3.1.2. Contracción, deformación y cristalinidad. ... 15
3.1.3. Temperatura del molde y de la masa fundida. ... 16
3.1.4. Propiedades térmicas ... 17 3.1.5. Viscosidad ... 18 3.1.6. Datos pvT ... 18 3.1.7. Materiales cargados ... 19 3.1.8. Impacto medioambiental ... 19
3.2.
Materiales a simular ... 20
3.2.1. Materiales PP ... 20 3.2.2. Materiales ABS ... 22 3.2.3. Materiales PVC ... 233.3.
Características concretas contratipos. ... 25
3.3.1. PP Repsol Isplem PB-199 A3M... 27
3.3.2. ABS es LG Chemical XR-409. ... 28
3.3.3. PVC Novatec Novablend 6601. ... 29
3.4.
Consideraciones sobre materiales y simulación. ... 30
4.
DISEÑO PIEZA. __________________________________________ 31
4.1.
Realización de pieza. ... 32
4.1.1. Realización sketch principal. ... 33 4.1.2. Parámetros pieza. ... 36
5.
SIMULACIÓN INYECCIÓN. _________________________________ 38
5.1.
Máquina de inyección. ... 38
5.1.1. Maquinas de husillo. ... 38 5.1.2. Capacidad de inyección. ... 39 5.1.3. Capacidad de plastificación. ... 40 5.1.4. Presión de inyección. ... 40 5.1.5. Velocidad de inyección. ... 41 5.1.6. Fuerza de cierre. ... 415.2.
Conceptos previos simulación. ... 42
5.2.1. Fases de llenado. ... 42
5.2.2. Tiempo del ciclo... 44
5.2.3. Número de puntos de inyección de polímero ... 45
5.2.4. Sistema de canales ... 48
5.2.5. Entradas ... 49
5.3.
Simulación una cavidad. ... 54
5.3.1. Creación de proyecto de simulación. ... 54
5.3.2. Colocación punto inyección... 54
5.3.3. Resultados simulación. ... 55
5.4.
Simulación 4 cavidades. ... 60
5.4.1. Colocación de las cavidades. ... 60
5.4.2. Creación de sistema de alimentación . ... 64
5.4.3. Equilibrado de canales. ... 67
5.5.
Análisis simulación ... 71
6.
DISEÑO DEL MOLDE _____________________________________ 72
6.1.
Características generales de un molde ... 72
6.2.
Tipos de molde. ... 73
6.2.1. Molde de dos placas con canales de colada. ... 73
6.2.2. Molde de dos placas con canales calientes... 74
6.2.3. Molde de tres placas ... 75
6.2.4. Molde de familia ... 76
6.3.
Creación superficies a partir de sólidos. ... 76
6.3.1. Creación de superficies en cada uno de los embudos ... 77
6.3.2. Creación de la superficie de cuatro embudos. ... 79
6.4.
Elección del molde en catálogo. ... 79
6.5.
Diseño de placas cavidad y núcleo... 82
6.6.1. Anillo centrador. ... 83 6.6.2. Bebedero ... 84 6.6.3. Columna guía ... 84 6.6.4. Casquillo guía... 85 6.6.5. Tornillos. ... 85 6.6.6. Expulsores. ... 86
6.6.7. Muelles para retorno placas expulsión... 86
7.
IMPACTO AMBIENTAL. ___________________________________ 87
8.
ANÁLISIS ECONÓMICO Y PRESUPUESTO. __________________ 88
8.1.
Presupuesto. ... 88
8.1.1. Diseño del molde. ... 88
8.1.2. Material. ... 88
8.1.3. Mecanizado. ... 89
8.1.4. Tratamientos térmicos y químicos. ... 90
8.1.5. Montaje y ajuste del molde. ... 91
8.1.6. Presupuesto total. ... 91
8.2.
Coste de inyección y coste unitario. ... 91
8.2.1. Coste de inyección. ... 91 8.2.2. Coste unitario. ... 92
CONCLUSIONES _____________________________________________ 93
AGRADECIMIENTOS _________________________________________ 95
BIBLIOGRAFÍA ______________________________________________ 97
Referencias bibliográficas ... 97
Bibliografía complementaria ... 97
SUMARIO DE ANEXOS. _______________________________________ 98
Índice de figuras
Fig 3-1 Datos de calor específico. __________________________________________ 17 Fig 3-2 Datos de conductividad térmica. _____________________________________ 18 Fig 3-3 Ventana de asistente de análisis. ____________________________________ 26 Fig 3-4 Ventana de características de materiales. _____________________________ 26 Fig .3-5 viscosidad polipropileno ___________________________________________ 28 Fig.3-6 Viscosidad ABS __________________________________________________ 29 Fig 3-7 Viscosidad del PVC _______________________________________________ 29 Fig 4-1 Pieza a simular __________________________________________________ 31 Fig 4-2 Esqueleto sketch principal. _________________________________________ 33 Fig 4-3 Resultado de revolución de sketch. ___________________________________ 33 Fig 4-4 Sketch parte superior de embudo. ___________________________________ 34 Fig 4-5 Embudo sin refuerzos _____________________________________________ 35 Fig 4-6 Sketch de nervio de refuerzo _______________________________________ 35 Fig 4-7 Embudo con refuerzos. ___________________________________________ 35 Fig 4-8 Parámetros modificación embudos. __________________________________ 36 Fig 4-9 Fórmulas y relaciones creadas en el árbol. _____________________________ 36 Fig 5-1 Máquina de inyección por husillo . ___________________________________ 39 Fig 5-2 Cálculo de presión de inyección _____________________________________ 40 Fig 5-3 Frente de flujo. __________________________________________________ 43 Fig. 5-4 Final fase llenado y compactación. __________________________________ 44
Fig 5-5 Entradas en función del frente de flujo. _______________________________ 46 Fig 5-6 Cavidad con 3 puntos de inyección. __________________________________ 47 Fig 5-7 Posicionamiento puntos de inyección. ________________________________ 47 Fig 5-8 Entrada de canal caliente. _________________________________________ 51 Fig 5-9 Entrada de espiga. _______________________________________________ 51 Fig 5-10 Entrada submarina ______________________________________________ 52 Fig 5-11 Entrada de válvula. ______________________________________________ 53 Fig 5-12 Colocación de punto de inyección en embudo. ________________________ 54 Fig. 5-13 Un proyecto 3 simulaciones. ______________________________________ 55 Fig 5-14 Menú de colocación de cavidades. _________________________________ 61 Fig 5-15 Cuatro piezas tal y como entran ____________________________________ 61 Fig 5-16 Alinear entrada bebedero con eje z _________________________________ 62 Fig 5-17 Embudos orientados a diferente nivel. _______________________________ 62 Fig 5-18 Embudos orientados y alineados ___________________________________ 63 Fig 5-19 Opción de establecer plano de partición. _____________________________ 63 Fig 5-20 Fijación del plano de partición. _____________________________________ 63 Fig 5-21 La placa B reduce su tamaño. _____________________________________ 64 Fig 5-22 Bebedero y canales creados. ______________________________________ 64 Fig 5-23 Ventana entrada datos sistema alimentación. _________________________ 65 Fig 5-24 Ventana de propiedades de la entrada. ______________________________ 66 Fig 5-25 Ventana de equilibrado de canales. _________________________________ 67 Fig 5-26 Ventana para el asistente de canales. _______________________________ 67 Fig 5-27 Sistema de canales sin equilibrar 1. _________________________________ 68
Fig 5-28 Sistema de canales sin equilibrar 2. _________________________________ 68 Fig 5-29 Sistema canales equilibrados1. _____________________________________ 69 Fig 5-30 Sistema canales equilibrados 2. ____________________________________ 69 Fig. 6-1 Fuerza de cierre. ________________________________________________ 72 Fig 6-2 Molde de dos cavidades.___________________________________________ 73 Fig 6-3 Molde con canales calientes. _______________________________________ 74 Fig 6-4 Molde de tres placas. _____________________________________________ 76 Fig 6-5 Iconos catia para manipular superficies. _______________________________ 77 Fig. 6-6 Superficie exterior. _______________________________________________ 78 Fig. 6-7 Superficie interior del embudo. ______________________________________ 78 Fig 6-8 Superficie 4 embudos _____________________________________________ 79 Fig 6-9 Dimensiones de molde ofrecidas por Molflow® __________________________ 79 Fig 6-10 Ventana creación de molde y molde creado. __________________________ 80 Fig 6-11 Colocación de cavidades en molde __________________________________ 82 Fig 6-12 Sistema para crear corte de cavidad y núcleo (vista del núcleo cortado) _____ 83 Fig 6-13 Anillo de centrador icono medidas elemento y ventana de definición ________ 84 Fig 6-14 Bebedero _____________________________________________________ 84 Fig. 6-15 Columna guía. _________________________________________________ 85 Fig 6-16 Casquillo guía __________________________________________________ 85 Fig 6-17 Tornillo. _______________________________________________________ 85 Fig. 6-18 Expulsor. _____________________________________________________ 86 Fig 6-19 Muelle retorno placas expulsión. ____________________________________ 86
Índice de tablas.
Tabla 3-1 Tabla resumen características. ___________________________________ 27 Tabla 4-1 Parámetros embudos. __________________________________________ 37 Tabla 5-1 Datos inyección embudo grande dos espesores. ______________________ 57 Tabla 5-2 Datos inyección embudo mediano dos espesores. ____________________ 58 Tabla 5-3 Embudo pequeño dos espesores. _________________________________ 59 Tabla 5-4 Resultado análisis 4 cavidades equilibradas y no equilibradas. ___________ 71 Tabla 7-1 Datos sobre impacto ambiental. ___________________________________ 87 Tabla 8-1 Listado de piezas a presupuestar. _________________________________ 89 Tabla 8-2 Presupuesto total. _____________________________________________ 91
1. Prefacio
En este apartado explicaré los motivos de la elección de este proyecto.
1.1. Origen del proyecto
Mi función docente en Formación Profesional me obliga a generar la documentación a partir de una programación didáctica hecha por el ministerio y adaptada por la comunidad autónoma, en este caso concreto soy docente en el módulo profesional MP5 Diseño de moldes poliméricos, aprovechando la oportunidad que me brinda adaptar el proyecto a mi función realizaré una documentación que sirve para que los alumnos la puedan utilizar en sus tareas de aprendizaje.
1.2. Motivación
Es importante a la hora de abordar un proyecto que la motivación sea alta, en este caso el hecho de adaptarse a mi función profesional hace que a la vez de realizar el proyecto realice mi función docente lo que supone un punto añadido a la motivación ya que aumento la eficacia de mis tareas educativas.
1.3. Requerimientos previos
El documento de partida para elaborar una documentación adaptada al modulo profesional es lo que se llama la programación didáctica, en dicho documento se indican los contenidos que se han de trabajar en el módulo, estos contenidos se expresan en tres apartados, que son conceptos, procedimientos y actitudes.
2. Introducción
Como se ha expresado, el proyecto consiste en la creación de un documento práctico que permita la creación de una pieza de plástico y del molde adecuado para inyectarla.
Para crear el documento se utilizarán aparte de la experiencia docente, una serie de documentos que en realidad se usaban como apuntes de clase, las fuentes de esos documentos son muy variadas.
La metodología será eminentemente práctica, es decir, los alumnos podrán crear la pieza y el molde siguiendo las indicaciones, a pesar de eso se evitará en lo posible el enfoque de documento tutorial, el software para la creación del molde será el CATIA® en el entorno de trabajo de Mold Tooling Desing, y la simulación se realizará con el software de simulación Autodesk Moldflow®.
2.1. Objetivos del proyecto
El objetivo principal es generar un material didáctico que permita diseñar una pieza inyectable y un molde que permita inyectarla usando los medios de simulación y diseño de que se dispone.
Para conseguir el objetivo se ha de dividir el contenido.
• Diseño pieza y elección de polímero. Diseño paramétrico de la pieza
Características de polímeros de partida.
Simulación de inyección de la pieza en diferentes materiales. Elección del material en función del resultado de las simulaciones.
• Diseño de molde y componentes. Transformación de pieza en superficies. Elección del molde del catálogo.
2.2. Alcance del proyecto
El proyecto pretende generar un material didáctico sencillo y práctico que sea un punto de partida y que permita seguir el proceso de diseño de pieza y construcción del molde.
En el proyecto no se incorporarán los conocimientos teóricos que no sean exclusivamente necesarios, a pesar de eso se incluirán conceptos teóricos sobre materiales poliméricos y sobre el funcionamiento de una máquina de inyección.
En el proyecto se exponen contenidos de mínimos, resolviendo el caso concreto pero el esquema es totalmente aplicable a otros ejemplos.
Mi tarea pretende ordenar los conocimientos básicos que permiten cumplir los objetivos antes expresados, donde se hará más hincapié será en el apartado de simulación de la inyección y mejoras.
3. Características del material termoplástico
3.1. Características generales de los polímeros
Se tienen en cuenta las características físicas que tienen influencia en la capacidad inyectar dicho polímero en el molde, y en la posterior calidad del producto final.
Es importante entender como estas propiedades se ven modificadas en función del proceso de inyección, y de todos los parámetros implicados en dicho proceso.
Las propiedades mecánicas se expondrán en el apartado que hace referencia al contratipo concreto.
3.1.1.
Cristalinidad
La cristalinidad de un material identifica el estado del polímero a las temperaturas de procesado, y puede ir del estado amorfo al cristalino. Los polímeros amorfos carecen de cualquier estratificación y retienen este estado en condiciones normales. Los polímeros cristalinos tienen una distribución ordenada de las moléculas de plástico, que permite que las moléculas encajen más estrechamente entre sí.
La extensión de la cristalinidad es función de la temperatura y del tiempo. Las velocidades de refrigeración rápidas se asocian con menores niveles de contenido cristalino, y viceversa. En las piezas moldeadas por inyección, las regiones más espesas se enfrían con más lentitud que las secciones más delgadas y, en consecuencia, tienen un mayor contenido cristalino y una mayor contracción volumétrica.
La cristalinidad del material se manifiesta en el proceso por el cual el líquido se solidifica en un estado de cristal, el proceso de solidificación puede modificar la cantidad de contenido cristalino.
Las moléculas de los plásticos son largas cadenas de átomos. Las largas cadenas moleculares pueden alinearse de forma regular, creando una estructura cristalina; en cadenas organizadas de forma aleatoria, creando una estructura amorfa; o mediante una combinación de secciones cristalinas y amorfas, creando una estructura semicristalina.
3.1.2.
Contracción, deformación y cristalinidad.
Una pieza no se deformará si se contrae uniformemente en todas las direcciones y en todas las áreas del molde.
Los materiales cristalinos tienen una contracción naturalmente más elevada que los materiales amorfos. Esto significa que si la cristalinidad varía también se experimentará variaciones en la contracción y, en consecuencia, es probable que la pieza se deforme. Desarrollo de la cristalinidad.
Los materiales semicristalinos tienen tendencia a la cristalización, pero el grado de cristalinidad presente se verá afectado por las velocidades de refrigeración de la masa fundida. Cuanto más rápido se solidifique la masa fundida, menos tiempo tienen las secciones cristalinas del plástico para formarse.
Si las partes del moldeado se enfrían a una velocidad menor, estas áreas tendrán un mayor contenido cristalino y, en consecuencia, una mayor contracción.
Hay dos factores principales que afectan a la velocidad de solidificación de la masa fundida: Temperatura del molde.
Cuanto mayor es la temperatura del molde más tiempo se mantendrá la temperatura, lo que retrasará la refrigeración de la masa fundida.
Geometría del molde.
Las regiones más gruesas tienden a enfriarse con más lentitud que las secciones más delgadas y, en consecuencia, tienen un mayor contenido cristalino y una mayor contracción volumétrica que las secciones delgadas, que se enfrían rápidamente y por tanto son más amorfas. Las regiones delgadas pueden tener una contracción volumétrica menor de lo predicho a partir de los datos de pvT de equilibrio.
3.1.3.
Temperatura del molde y de la masa fundida.
Como temperatura del molde se entiende la temperatura de la superficie del molde que entra en contacto con el polímero. La temperatura del molde afecta a la velocidad de refrigeración del plástico y no puede ser superior a la temperatura de expulsión para un material en particular.
Al aumentar la temperatura de la masa fundida se reduce la viscosidad del material. Además, un material más caliente reducirá el espesor de la capa solidificada. La reducción de la capa solidificada reduce el esfuerzo de cizalla dada la menor limitación del flujo. Esto provoca una menor orientación del material durante el flujo.
3.1.4.
Propiedades térmicas
El calor específico (Cp) de un material es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una masa unitaria de material en un grado centígrado. Es esencialmente una medición de la capacidad del material para convertir la entrada de calor en un aumento de temperatura y se mide a la presión atmosférica y en un intervalo de temperaturas hasta la temperatura máxima de procesamiento del material.
La ficha Propiedades térmicas del diálogo Material termoplástico muestra los datos de calor específico en formato tabular, de la manera siguiente.
• Cada fila de la tabla muestra los datos de calor específico a una temperatura dada. • T es la temperatura de prueba y la unidad de medida es C, centígrado.
• Cp es el calor específico a la temperatura dada. La unidad de medida es J/kg-C, julios por kilogramo y grado centígrado.
• La velocidad de calentamiento/refrigeración es la velocidad con la que se calentó o se refrigeró el material durante la prueba. Habitualmente se refrigera y esto se representa mediante un valor negativo que suele ser -0,3333. La unidad de medida es C/s, el cambio de temperatura en grados centígrados por segundo.
La conductividad térmica (k) de un material es la velocidad de transferencia de calor por conducción por unidad de longitud por grado Centígrado. La conductividad térmica es una medida de la velocidad a la que un material puede disipar calor. Esta velocidad se mide bajo presión y en un intervalo de temperaturas. La unidad de medida es W/m-C, vatios por metro y grado centígrado.
Figura
La ficha Propiedades térmicas del diálogo Material termoplástico muestra también los datos de conductividad térmica en formato tabular, de la manera siguiente:
• Cada fila de la tabla muestra los datos de conductividad térmica a una temperatura dada. • T es la temperatura de prueba. La unidad de medida es C, grado centígrado.
• k es la conductividad térmica a la temperatura dada. La unidad de medida es W/m-C, vatios por metro y grado centígrado.
• La velocidad de calentamiento/refrigeración es la velocidad con la que se calentó o se refrigeró el material durante la prueba. Habitualmente, este valor es cero. La unidad de medida es C/s, el cambio de temperatura en grados centígrados por segundo.
3.1.5.
Viscosidad
La viscosidad de un material es una medida de su capacidad para fluir bajo una presión aplicada. La viscosidad del polímero depende de la temperatura y de la velocidad de cizalla. En general, a medida que aumenta la temperatura y la velocidad de cizalla del polímero, la viscosidad se reduce, lo que indica una mayor capacidad para fluir bajo una presión aplicada. La base de datos de materiales proporciona un índice de viscosidad para los materiales en la ficha Propiedades reológicas para permitirle comparar la facilidad de flujo. El índice de viscosidad asume una velocidad de cizalla de 1.000 segundos recíprocos y muestra la viscosidad a la temperatura especificada entre paréntesis.
3.1.6.
Datos pvT
Para tener en cuenta la compresibilidad de un material durante un análisis de llenado, o de llenado + compactación, Autodesk proporciona modelos pvT. Un modelo pvT es un modelo Fig 3-2 Datos de conductividad térmica.
matemático que utiliza diferentes coeficientes para diferentes materiales ofreciendo una curva de presión frente a volumen y frente a temperatura.
Un análisis basado en datos pvT es más preciso, pero las iteraciones para temperatura y presión en cada punto del modelo aumentan la intensidad de cálculo. Sin embargo, esto es adecuado para modelos complejos que tienen cambios de espesor grandes y repentinos.
3.1.7.
Materiales cargados
Los materiales compuestos contienen cargas que se añaden a los polímeros para el moldeado por inyección. Las cargas aumentan la resistencia del polímero y ayudan a garantizar que se producen piezas de buena calidad. La mayoría de los materiales compuestos contiene del 10 al 50 por cien de fibras en peso. Estos materiales se consideran suspensiones concentradas a las que se aplican interacciones entre fibras tanto de tipo mecánico como hidrodinámico. En materiales compuestos moldeados por inyección, las distribuciones de la orientación de fibras muestran una naturaleza en capas y se ven afectadas por la velocidad de llenado, las condiciones de procesamiento y el comportamiento de los materiales.
3.1.8.
Impacto medioambiental
Los distintos materiales pueden tener impactos medioambientales diferentes. La familia de polímeros a la que pertenece un material puede proporcionar una indicación inicial de la procesabilidad y posibilidad de reciclaje del material.
Minimizar el consumo de energía del proceso de moldeado por inyección proporciona ventajas económicas y medioambientales. A partir de la presión de inyección y el tiempo de refrigeración previstos para un conjunto de geometrías y espesores de piezas se ha desarrollado un Indicador de uso energético para cada material de la base de datos de materiales termoplásticos. Esto proporciona una indicación de los requisitos de energía relativos para producir una pieza de un material determinado.
3.2. Materiales a simular
La cantidad de polímeros comerciales en el mercado es muy extensa y muchos de dichos polímeros están en la base de datos de Moldflow®, de ellos debemos elegir alguno que pueda ser representativo de la familia, en este proyecto se simulará un polipropileno, un ABS y un PVC, seguidamente se dan las características generales de la familia de polímeros, y justo después se pondrá una tabla con las características del material en concreto, se han elegido materiales sin cargas y que sean representativos de su familia. Muy importante entender que este proyecto es un documento didáctico, lo que significa que si bien, el polímero elegido de antemano es el polipropileno, se simulan dos polímeros mas para comprobar que dichos polímeros no son adecuados.
3.2.1.
Materiales PP
El polipropileno (PP) es un polímero termoplástico, semicristalino, translúcido y ampliamente utilizado con una excelente resistencia química a una variedad de químicos.
Aplicaciones típicas
• Automoción (el PP con carga de material es utilizado a menudo)
• Componentes del salpicadero
• Conductos
• Ventiladores
• Algunos componentes debajo del capó
• Aplicaciones
• Revestimientos de puertas de lavavajillas
• Conductores para secadoras
• Áreas de limpieza
• Tapas para lavadoras
• Revestimientos de neveras
• Productos de consumo
• Muebles de jardinería/césped
• Componentes de cortacésped
• Aspersores
Condiciones de procesamiento de moldeado por inyección
Secado
Temperatura de fusión
220 °C–280 °C [428 °F–536 °F], no se debe exceder los 280 °C
Temperatura de molde
20 °C–80 °C [68 °F–176 °F], sugerido, 50 °C [122 °F]. El nivel de cristalinidad está determinado por la temperatura del molde.
Presión de inyección del material
Hasta 180 MPa
Velocidad de inyección
Por lo general, se utilizan velocidades rápidas de inyección para minimizar tensiones internas; si se producen defectos en la superficie, se prefiere un moldeado a velocidad lenta y a una temperatura superior. Es muy recomendable utilizar máquinas capaces de proporcionar una velocidad de perfil.
Canales y entradas
En el caso de canales fríos, los diámetros abarcan de los 4 a los 7 mm. Se recomienda utilizar bebederos y canales completamente redondos. Se puede utilizar todo tipo de entradas. Los diámetros típicos de entrada de espiga abarcan del 1 al 1,5 mm, pero se pueden utilizar diámetros inferiores de 0,7. En el caso de entradas de borde, la profundidad mínima de la entrada debe ser mitad del espesor y de la pared y el ancho debe ser, por lo menos, el doble del grosor. Se pueden utilizar fácilmente canales calientes para moldear el PP.
Propiedades químicas y físicas
El PP se produce mediante la polimerización de propileno utilizando catalizadores estereoespecíficos. Se produce principalmente polipropileno isotáctico (iPP). (Los grupos de metilo se encuentran a un lado de la cadena de carbono.) Este plástico lineal es semicristalino debido a una estructura molecular ordenada, es más rígido que el Polietileno (PE) y tiene un mayor punto de masa fundida. El homopolímero polipropileno se hace muy frágil a temperaturas superiores a 0 °C [32 °F] y, por esta razón, muchos grados disponibles a nivel comercial son copolímeros aleatorios con 1–4% etileno, o copolímeros de bloque con un alto contenido de etileno.
Debido a su cristalinidad, la contracción es relativamente alta (de 0,018 a 0,025 mm/mm [1,8–2,5%]). Al añadir 30% vidrio se reduce la contracción hasta aproximadamente 0,7%. La contracción es bastante uniforme y la diferencia entre la contracción de flujo y flujo transversal es habitualmente menor de 0,2%.
Tanto el polipropileno homopolímero como copolímero ofrecen una excelente resistencia a la humedad y una buena resistencia química a los ácidos, álcalis y solventes. Sin embargo, el PP no es resistente a hidrocarburos aromáticos como el benceno ni a hidrocarburos clorados como el tetracloruro de carbono. El PP no es tan resistente a la oxidación a altas temperaturas como el PE.
3.2.2.
Materiales ABS
El acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) ofrece una alta capacidad de procesamiento y apariencia, una baja fluencia, una excelente estabilidad dimensional y una elevada resistencia al impacto.
Aplicaciones típicas • automoción • tableros de control
• paneles de acabado interior • puertas de guanteras • tapacubos
• carcasas de espejos • neveras
• carcasas de pequeños electrodomésticos • aplicaciones de herramientas eléctricas • vehículos de uso recreativo
• carcasas de teléfonos
Condiciones de procesamiento de moldeado por inyección
Secado
Los grados ABS son higroscópicos y el secado es necesario antes del procesamiento. Las condiciones de secado recomendadas son de 80 °C - 90 °C [176 °F - 195 °F] para un mínimo de 2 horas. El contenido de humedad del material debe ser inferior al 0,1%.
200 °C – 280 °C [392 °F – 536 °F]; Objetivo: 230 °C [446 °F]
Temperatura de molde
25 °C – 80 °C [77 °F – 176 °F]. Las temperaturas del molde controlan las propiedades de brillo; temperaturas de molde más bajas producen niveles más bajos de brillo.
Presión de inyección del material
50 - 100 MPa
Velocidad de inyección
Moderada – alta
Propiedades químicas y físicas
El ABS se produce mediante una combinación de tres monómeros: acrilonitrilo, butadieno y estireno. Cada uno de los monómeros proporcionan diferentes propiedades: el acrilonitrilo, dureza y resistencia química y al calor; el estireno, procesabilidad, brillo y resistencia, y el butadieno, resiliencia y resistencia al impacto. Morfológicamente, el ABS es un material amorfo.
La polimerización de los tres monómeros produce un terpolímero que contiene dos fases: una fase continua de estireno-acrilonitrilo (SAN) y una fase dispersa de goma polibutadieno. Las propiedades del ABS se ven afectadas por la proporción de los monómeros y las estructura molecular de las dos fases. Esto permite un alto nivel de flexibilidad en el diseño del producto y, consecuentemente, existen cientos de clases disponibles en el mercado. Las clases disponibles en el mercado ofrecen características diferentes como pueden ser medio a gran impacto, un brillo de superficie bajo a alto y una elevada distorsión del calor.
3.2.3.
Materiales PVC
El policloruro de vinilo (PVC) es un polímero muy utilizado. La variedad de aditivos empleados con este polímero pueden alterar sus propiedades físicas para crear un polímero rígido y resiliente utilizado en tuberías de agua o para crear un material flexible utilizado en otras aplicaciones.
Aplicaciones típicas
• tuberías de distribución de agua • fontanería doméstica
• carcasas de máquinas de oficina • embalaje de material eléctrico • aparatos médicos
• embalajes para productos alimenticios
Condiciones de procesamiento de moldeado por inyección
Secado
Generalmente no es necesario ya que el PVC absorbe muy poca agua.
Temperatura de fusión
160°C–220°C [320°F–428°F]
Temperatura de molde
20°C–70°C [68°F–158°F]
Presión de inyección del material
Hasta 150 MPa
Presión de compactación
Hasta 100 MPa
Velocidad de inyección
Relativamente lenta para evitar la degradación del material
Canales y entradas
Se pueden utilizar todos los tipos de entradas convencionales. Las entradas de precisión y las entradas cónicas circulares se utilizan para moldear componentes pequeños y las entradas de abanico se utilizan normalmente para secciones gruesas. El diámetro mínimo de entradas de precisión y entradas cónicas circulares debe ser de 1 mm y el grosor de las entradas de abanico no debe ser inferior a 1 mm.
Los bebederos deben ser tan cortos como sea posible y los tamaños típicos de los canales son de 6 a 10 mm y deben tener una sección transversal de círculo completo. Los canales calientes aislados y algunos tipos de bujes de bebederos calientes pueden utilizarse con PVC.
Propiedades químicas y físicas
El PVC rígido (implastificado), que se produce de cloruro de sodio y gas natural, es uno de los materiales plásticos más utilizados. La estructura química repetida es el cloruro de vinilo. Se le mezclan aditivos al PVC para hacerlo procesable. Los grados de PVC producido por técnicas de suspensión o polimerización en masa son los más utilizados en el procesamiento de masa fundida. El PVC es un material considerablemente amorfo.
Los aditivos utilizados incluyen estabilizadores, lubricantes, auxiliares de procesamiento, pigmentos, modificadores de impacto y cargas. Las características del PVC incluyen una baja combustibilidad, una resiliencia (diseñado para ser inquebrantable virtualmente), una buena resistencia a la climatología (retención de color e impacto y sin pérdida de rigidez), y una excelente estabilidad dimensional. El PVC es muy resistente a agentes de reducción y oxidantes al igual que a los ácidos fuertes. Sin embargo, no se recomienda el PVC implastificado para un uso continuado y ambiental por encima de los 60 °C [140 °F]. No es resistente a los ácidos oxidantes concentrados como el ácido sulfúrico o nítrico y no es adecuado para un uso con hidrocarburos aromáticos y clorados.
Es muy importante procesar el material con la temperatura de masa fundida adecuada. De no ser así, se podrán dar casos de graves problemas de descomposición (que produce ácido clorhídrico que, a su vez, acelera la descomposición).
El PVC es un material con un flujo rígido y un intervalo estrecho de procesamiento. El peso molecular determina las características de flujo. Los materiales con un mayor peso molecular son más difíciles de procesar. Esto se puede modificar añadiendo lubricantes. Sin embargo, también se suelen utilizar grados de peso molecular relativamente bajos en el moldeado.
La contracción es baja (0,002–0,006 mm/mm [0,2–0,6%]).
3.3. Características concretas contratipos.
Se han buscado tres materiales sin carga, de esta manera se puede interpretar que dichos polímeros son representativos de su clase.
Los datos comparados se han puesto en una tabla, aquellos datos gráficos se han puesto debajo de cada uno de los materiales.
A partir de la ventana de asistente para el análisis en la pestaña de materiales se puede acceder a los materiales habituales que son los que se han usado para hacer las simulaciones.
Se elige el material en la lista figura 3-3 y se clica el botón de detalles en materiales seleccionados, se obtiene la ventana figura 3-4, donde podemos elegir en la pestaña superior las diferentes propiedades del material.
Los datos que aparecen son los que permitirán al software realizar la simulación.
Mediante las dos ventanas anteriores podemos tener acceso a todos los datos de los materiales.
También seguidamente se dispone de una tabla resumen con los datos comparados de los tres materiales.
Fig 3-3 Ventana de asistente de análisis.
Nombre comercial Isplen PB-199 A3M ABS XR-409 Novablend 6601
Nombre de la familia (PP) ABS PVC
Fabricante REPSOL LGCHEM NOVATEC
Abreviatura de familia PP ABS PVC
Estructura del material Semi Crystalline Amorphous Amorphous Codigo de clase MAT2286 LK103 CM4364
Procesamiento recomendado
Temperatura de la superficie del molde 60ºC 60ºC 40ºC Temperatura de masa fundida 235ºC 260ºC 190ºC
Intervalo temperaturas del molde
Mínima 40ºC 40ºC 20ºC
Máxima 80ºC 80ºC 49ºC
Temperatura absoluta máxima de masa
fundida 300ºC 300ºC 260ºC
Temperatura de expulsión 100ºC 125ºC 56ºC Esfuerzo de cizalla máximo 0,25 0,3 0,2 Velocidad de cizalla máxima 100000 1/S 50000 1/S 32000 1/S
Propiedades mecánicas
Módulo elástico 1ª dirección (E1) 1340 MPa 2240 MPa 3280 MPa Módulo elástico 2ª dirección (E2) 1340 Mpa 2240 Mpa 3280 Mpa Coeficiente de Poisson (v12) 0,392 0,392 0,42 Módulo de corte (G12) 481,3 Mpa 804,6 Mpa 1155 Mpa
Contracción nominal observada
Paralelo 1,38% 1,45% 1,45%
Perpendicular 1,62% 1,75% 1,75%
Modelo de viscosidad WLF transversal
Viscosidad Pa s 4,85x1015 6,38x1017 5,39x1015
Tau 36211 Pa 83500 Pa 105900 Pa
Datos sobre impacto ambiental.
Capacidad de ser reciclado. 5 7 3
Nivel de consumo energético. 2 5 5
3.3.1.
PP Repsol Isplem PB-199 A3M.
Además de la tabla resumen Tabla 3.1 en la que se hace referencia a datos generales, propiedades mecánicas, temperaturas de procesado recomendadas, en el siguiente gráfico se complementa la información con los datos de viscosidad respecto velocidad de cizalla y a diferentes temperaturas.
Como se puede ver en el gráfico tanto al aumentar la temperatura como la velocidad de cizalla, disminuye la viscosidad además dicha viscosidad ya tiene un valor relativamente bajo que hace que el polímero sea fácil de inyectar.
Comparando la gráfica del polipropileno y los datos de la tabla veremos que la velocidad de cizalla máxima es de 100.000. 1/s lo que implica buena velocidad de inyección.
Estos datos se ven corroborados en la realización de las simulaciones.
3.3.2.
ABS es LG Chemical XR-409.
El ABS estudiado mejora considerablemente las propiedades mecánicas del polipropileno, sin embargo para la utilidad de la pieza las propiedades del polipropileno ya son más que suficientes.
Como se puede apreciar en la gráfica de la figura 3-6 la viscosidad del ABS es considerablemente mayor, eso hace que el llenado de la cavidad requiera de una fuerza de cierre mayor y por lo tanto de una máquina mayor, estos datos se ven corroborados en la simulación realizada.
La viscosidad del material es considerablemente mayor que la del polipropileno.
3.3.3.
PVC Novatec Novablend 6601.
El PVC es un material relativamente difícil de inyectar, normalmente se suele usar bebedero directo, el motivo es su elevada viscosidad así como una baja velocidad de cizalla, por contra tiene muy buenas propiedades mecánicas.
Fig.3-6 Viscosidad ABS
3.4. Consideraciones sobre materiales y simulación.
El material adecuado para la pieza a inyectar es el polipropileno, por el uso que se va a dar a la pieza y por la geometría de ésta, lo normal sería elegir entre diferentes fórmulas de pp de diferentes fabricantes, al ser este un proyecto con una finalidad educativa se han elegido dos materiales extra sabiendo que no son los adecuados.
Lo que se pretende con la incorporación del ABS y del PVC es comprobar que al aumentar la viscosidad del material disminuye la capacidad de que un material sea inyectado.
La máquina de inyección también seria modificada ya que la fuerza al cierre de la máquina va directamente relacionada con la viscosidad del material, en la inyección del polipropileno la máquina de inyección necesita una fuerza al cierre considerablemente menor.
Todos estos parámetros se estudiaran a la hora de analizar los datos, una vez se hayan realizado las simulaciones.
Se simularan piezas con la misma geometría pero con diferentes tamaños y espesores, de forma que se verá que conforme se va bajando el espesor de pieza, tanto el ABS como el PVC dan problemas de llenado y de calidad, sin embargo el polipropileno no tiene esos problemas.
4. Diseño pieza.
No siempre es necesario crear un modelo de simulación exacto, a menudo es posible hacer simplificaciones que ahorrarán tiempo de modelado y análisis. El principio fundamental es que el modelo debe ser equivalente al flujo de la pieza real.
Por lo tanto, el objetivo debe ser crear un modelo con el mismo espesor, longitud de flujo y volumen que la pieza real. Si se respetan determinadas recomendaciones, un modelo simple normalmente ofrecerá resultados similares a los producidos por un modelo más complejo de la misma pieza.
Antes de construir el molde y los sistemas de alimentación y refrigeración, se debe optimizar el modelado de la pieza.
En nuestro caso de estudio los modelos si serán los reales.
La pieza a inyectar de inicio y sobre la cual se realizará todo el proceso de diseño simulación y creación del molde es un embudo tal como el que se representa en la figura.
Se ha decidido hacer un juego de embudos, es decir se realizará un modelo paramétrico en el que variando los parámetros se podrán realizar los diferentes tamaños de embudo.
Dicho modelo se ha optimizado de forma que con 4 parámetros se puedan realizar todos los embudos:
• Radio medio, es el radio en el plano común que une los dos cuerpos. Fig 4-1 Pieza a simular
• Altura parte superior.
• Altura parte inferior.
• Espesor.
Los parámetros que permanecen constantes en todos los embudos serán el ángulo de los dos conos 3º en inferior y 30º el superior.
Mediante la variación de los parámetros se podrá variar la geometría de la pieza y de esta manera ver cómo afecta a las condiciones de inyección y discernir cuáles son viables o inviables.
Dichas piezas se guardaran en formato stl y se simularan.
4.1. Realización de pieza.
El embudo se puede realizar en cualquier software que permita guardar en formato stl, es interesante que el software permita variar con facilidad las medidas de la pieza, en este caso se utiliza el software Catia®, que permite crear los parámetros y aplicarlos a la geometría de forma ágil.
En cualquier otro software de diseño se podría conseguir el mismo objetivo y las explicaciones que aparecen el este documento se pueden adaptar con facilidad.
Dentro del programa se utilizará el apartado 'part desing' para diseño de la pieza sólida, una vez diseñada la pieza se parametrizará para poder hacer los diferentes modelos.
Los modelos sólidos no sirven para el diseño de las cavidades del molde que exige que dichos modelos tengan formato de superficie, en este caso se utilizará el apartado de Catia® 'Generative shape desing', que se hará en una fase posterior.
Antes de realizar la pieza se han de tener claros cuales serán los parámetros para que después se pueda modificar el tamaño y hacer los diferentes modelos con facilidad.
Dichos parámetros serán radio principal, altura superior, altura inferior y espesor, todos los datos de construcción saldrán de ahí.
4.1.1.
Realización sketch principal.
El sketch es el esqueleto de la figura que hará de base para el sólido a realizar, en este sketch tenemos acotados los ángulos de los cuerpos 30º y 3º que serán datos fijos, las alturas de los dos cuerpos se fijan a los planos superior e inferior como se ve en plane.1 y plane.2 los dos planos y todas las cotas del sketch salen de los parámetros.
El sólido resultante sale de una revolución o 'shaft' y es el siguiente. Fig 4-2 Esqueleto sketch principal.
A partir de esa figura se hace un vaciado o shell a los mm que marca el parámetro espesor.
Para hacer la parte superior del embudo se realizará un sketch como el siguiente, dicho sketch estará apoyado sobre la superficie del cono superior, estas medidas son comunes a todos los embudos, los diámetros aumentan de forma paramétrica porque van ligados a las alturas de los planos.
Fig 4.4 Vaciado de pieza principal.
Una vez se hace extrusión del sketch superior con un 'pad' el embudo queda de la siguiente forma.
Finalmente se han de poner los nervios de refuerzo, para ello se usará el siguiente sketch, las dos coincidencias son con la línea de revolución del embudo del sketch principal.
A partir de dicho sketch se utiliza la operación nervio de refuerzo, 'stiffener' y después se multiplica por cuatro distribuido alrededor de la circunferencia, las fórmulas para conseguir la cota de los nervios son altura inferior/4 la inferior y altura inferior/6 la superior.
Finalmente el embudo con los nervios queda: Fig 4-5 Embudo sin refuerzos
Fig 4-6 Sketch de nervio de refuerzo
Una vez creado el primer embudo se ha de conseguir que las cotas se puedan introducir mediante una hoja de cálculo.
4.1.2.
Parámetros pieza.
Con los cuatro parámetros siguientes se hacen los cálculos necesarios para conseguir el juego de embudos.
Las fórmulas para conseguirlo son las que siguen.
Con los datos que se han aportado hasta ahora se puede realizar el sólido en sus diferentes medidas, dicho sólido se ha de guardar en formato stl lo que permitirá hacer la simulación. En este caso concreto habrá siete embudos de diferentes medidas, de los que se elegiran 4 para realizar el molde de familia, hará falta realizar las superficies, en el apartado en el que se explica la construcción del molde se explicaran las superficies que permitirán dar forma a las cavidades.
Fig 4-8 Parámetros modificación embudos.
Las figuras 5, 6 y 7 son de comprobación, es decir nos permitirán poner a prueba los materiales con un espesor fino de tal manera que se comprueba que a partir de un determinado espesor el llenado no ce completa produciendo piezas faltadas.
La tabla de la cual salen los parámetros de las piezas es la siguiente:
Núm.
Figura Principal Radio Superior Altura inferior Altura Espesor
1 6 70 50 1 2 5,5 50 40 1 3 5 40 35 1 4 4,5 35 25 1 5,6,7, son de comprobación 5 6 70 50 0,8 6 5,5 50 40 0,7 7 5 40 35 0,6
5. Simulación inyección.
En este apartado se harán las simulaciones de las cavidades individuales para definir el punto de entrada del polímero, una vez comprobada la idoneidad del punto de entrada se procederá a hacer las simulación del molde de varias cavidades y a optimizar los canales de llenado.
Previo a la realización de las simulaciones de verán una seria de apartados donde se explicará el proceso de inyección visto desde el punto de vista de los elementos necesarios para realizarla, como son la máquina de inyección, los elementos a introducir en el molde, canales entradas, etc, también se estudiaran parámetros de funcionamiento como son los tiempos de ciclo, temperaturas de expulsión etc...
5.1. Máquina de inyección.
El moldeo por inyección es un proceso semicontinuo que consiste en inyectar a presión un polímero en estado fundido en un molde cerrado atemperado.
La máquina de inyección es un equipo diseñado para introducir el polímero en el molde donde solidifica y adquiere la forma, la misma máquina de inyección que contiene el molde se encarga de proveer los instrumentos para abrir y cerrar el molde y atemperarlo en caso que sea necesario.
Una máquina de inyección está diseñada para poder usar diferentes moldes, en función de las necesidades, y el molde ha de ser diseñado específicamente para funcionar en una máquina concreta.
En las primeras máquinas empleadas, la fase de fusión se realizaba en una cámara cilíndrica de calefacción. En estas máquinas el material, en forma de gránulos o granza, entra en el cilindro de calefacción a través de la tolva de alimentación situada en la parte posterior del cilindro. El material se calienta y funde en el cilindro de calefacción al mismo tiempo que circula hacia la parte anterior de este.
5.1.1.
Maquinas de husillo.
Las máquinas de husillo proporcionan un calentamiento uniforme del material así como un mezclado homogéneo.
En estas máquinas la inyección del material se realiza desde la cámara de plastificación, que está provista de un husillo similar al de las máquinas de extrusión, el calentamiento del
material se produce de forma similar a como ocurre en las máquinas de extrusión: la rotación del tornillo transforma parte de la energía mecánica en calor por fricción y además las paredes calientes del cilindro contribuyen a aumentar la temperatura por conducción, la eficiencia en la transmisión del calor de estas máquinas resulta muy elevada frente a las máquinas con pistón.
En la actualidad estás máquinas(fig 5-1) son con diferencia las más utilizadas.
En estas máquinas conforme el tornillo gira se produce material fundido que se va acumulando en la parte anterior del mismo. Para alojar este material dentro del cilindro, el tornillo debe retroceder lentamente mientras gira. Una vez hay suficiente material fundido acumulada delante del tornillo, se detiene el giro y se realiza un movimiento axial hacia adelante, con lo que se realiza la inyección del material fundido.
El diseño del tornillo viene determinado por las características del polímero con el que se ha de trabajar y con las condiciones del proceso. Las variaciones de diseño se consiguen modificando el paso de hélice, la profundidad del canal y la longitud del tornillo.
Antes de seguir adelante conviene aclarar algunos conceptos que permitirán elegir la máquina en función de los resultados de la simulación.
5.1.2.
Capacidad de inyección.
Se entiende como capacidad de inyección la cantidad máxima de material que una máquina es capaz de inyectar de una sola vez en un molde a una presión determinada.
Se expresa la capacidad de inyección como el volumen barrido por el husillo de inyección en su recorrido hacia adelante. En ocasiones se indica la capacidad de inyección como el peso máximo expresado en gramos que puede inyectar la máquina en un solo ciclo, valor que es ambiguo ya que depende de la densidad del polímero inyectado.
La unidad de inyección suele escogerse de forma que sea capaz de contener material suficiente para dos ciclos, es decir el 50% de la capacidad de inyección de un cilindro debería vaciarse en cada ciclo.
La cantidad de material introducida en el molde nunca debería ser inferior al 20% ni superior al 80% de la capacidad del cilindro, de modo que el tiempo de permanencia del material en la cámara de plastificación no sea excesivamente largo para evitar que el material se degrade, ni excesivamente corto para evitar que no se encuentre plastificado.
5.1.3.
Capacidad de plastificación.
Es un dato muy importante para evaluar las posibilidades de una máquina de inyección, se puede definir como la cantidad máxima de material que la máquina es capaz de plastificar por unidad de tiempo.
Por plastificar un polímero se entiende el calentar éste lo suficiente para que alcance una temperatura a la que pueda ser inyectado.
No hay un método universalmente aceptado que indique las condiciones en que debe medirse la capacidad de plastificación de una máquina, cada fabricante indica en el catálogo de sus máquinas la capacidad de plastificación expresada como caudal máximo plastificado de un material en unas condiciones de procesado determinadas, por lo general poliestireno en( Kg/h o en g/s) de modo que solo sirve como guía para hacer comparaciones aproximadas entre máquinas de diversa procedencia.
5.1.4.
Presión de inyección.
Se entiende como presión de inyección de una máquina medida en la cara delantera "a" del pistón de inyección o husillo (fig 5-2). La presión puede leerse en un manómetro y la relación de superficies entre las caras de los pistones (A/a) es una característica de construcción de la máquina
Las máquinas convencionales se construyen con relaciones (A/a) entre 8 y 9.
La presión de inyección P no es la misma que la máxima presión que se desarrolla en las cavidades de moldeo, la cual es bastante menor y puede tener valores solamente del 20% de la presión de inyección dependiendo de las características del molde, condiciones de moldeo y polímero utilizado.
5.1.5.
Velocidad de inyección.
Es el caudal que sale de la máquina durante el periodo de inyección, se expresa generalmente en cm3/s y es una medida de la rapidez con que puede llenarse el molde. La velocidad de inyección viene determinada por la velocidad de avance del pistón o husillo En una situación real (con material y molde en la máquina) la velocidad de inyección del material en el molde dependerá de otros factores como la presión de inyección, la temperatura de la cámara de calefacción, las características del material utilizado y el camino que debe recorrer el polímero fundido hasta llegar a las cavidades de moldeo.
5.1.6.
Fuerza de cierre.
La fuerza de cierre es aquella que mantiene unidas las dos mitades del molde mientras en la cavidad de moldeo se desarrolla la máxima presión como consecuencia de su llenado, como ya se ha mencionado la presión en la cavidad de moldeo es mucho menor que la presión de inyección, si bien se desarrolla una fuerza que tiende a separar las dos mitades del molde y que viene dada por el producto de la presión en la cavidad de moldeo por el área proyectada de esta.
Cuanto mayor es la fuerza al cierre disponible para mantener cerrado el molde tanto mayor es el área transversal de la pieza que puede moldearse a igualdad de las demás condiciones.
5.2. Conceptos previos simulación.
El software de simulación necesita que la persona que prepara el proceso tenga unos conocimientos previos tanto para crear una simulación de la que poder extraer datos reales como para poder interpretar esos datos y hacer una lectura de la que se puedan sacar conclusiones útiles.
Al terminar de modelar la pieza, se ejecutan las siguientes secuencias de análisis para determinar una configuración de análisis adecuada:
• Análisis del consultor de diseño para comprobar si hay problemas debidos a la complejidad del modelo
• Análisis de posición de la entrada para localizar y establecer una posición de entrada adecuada
• Análisis de ventana de proceso para buscar las condiciones de procesamiento óptimas
Una vez se ha seleccionado la posición de entrada y las condiciones de procesamiento adecuadas, se selecciona un material; se establece el punto de inyección; y se comienza el análisis.
Antes de determinar la solución óptima, se necesitan varios análisis con diversos cambios o combinaciones de configuraciones de proceso, puntos de inyección, configuraciones de refrigeración, etc. Se pueden guardar las copias de un estudio en varios puntos durante el análisis para ayudar a gestionar este proceso de manera más eficiente. Se pueden utilizar estas copias como los datos iniciales para probar distintas configuraciones y variaciones del mismo modelo.
5.2.1.
Fases de llenado.
Fase de llenado
Durante la fase de llenado, se inyecta plástico hacia la cavidad hasta llenarla. Cuando el plástico fluye por la cavidad y entra en contacto con la pared del molde, se solidifica rápidamente. Esto crea una capa solidificada entre el molde y el plástico fundido. En la frontera entre la capa solidificada estática y la masa fundida que fluye, las moléculas del polímero se estiran en la dirección del flujo. Este proceso de alineación y estiramiento se denomina orientación.
El diagrama siguiente (fig 5-3) muestra cómo se expande el frente de flujo a medida que se fuerza el avance del material. Los bordes de la capa que fluye se solidifican al entrar en contacto con la pared del molde en una dirección casi perpendicular. Así, las moléculas de la capa solidificada inicial no están muy orientadas y, cuando se solidifican, su orientación no cambia.
Las flechas de color rojo del diagrama muestran el sentido del flujo de plástico fundido. Las capas de color azul muestran las capas de plástico solidificado contra las paredes del molde. Las flechas de color verde indican el sentido del flujo térmico de la masa fundida de polímero hacia las paredes del molde.
La capa solidificada recibe calor a medida que fluye más plástico fundido por la cavidad y transfiere calor al molde.
Cuando la capa solidificada adquiere un espesor determinado, se alcanza el equilibrio. Esto suele ocurrir al principio del proceso de moldeado por inyección, al cabo de algunas décimas de segundo.
Fase de compactación
La fase de compactación comienza inmediatamente después de que se haya llenado la cavidad. Durante esta fase, se aplica más presión al material para intentar compactar más material en la cavidad. Así se pretende producir una contracción reducida y más uniforme con menor deformación del componente.
Cuando el material ha llenado la cavidad del molde y se ha iniciado la fase de compactación, el flujo de material se controla mediante la variación de densidad a lo largo de la pieza. Si una región de una pieza está compactada con menor densidad que una región contigua, el polímero fluirá hacia la región menos densa hasta que se alcance un equilibrio. Este flujo se verá afectado por la compresibilidad y la expansión térmica de la masa fundida de una manera similar a la de la fase de llenado.
Las características de pvT (presión, volumen, temperatura) del material proporcionan la información necesaria para calcular parámetros como los datos de variaciones de densidad con presión y temperatura, compresibilidad y expansión térmica. Cuando se combinan con los datos de viscosidad del material, se puede obtener una simulación precisa del flujo del material durante la fase de compactación.
El diagrama siguiente figura 5-4 muestra la diferencia entre el final de la fase de llenado (izquierda) y el final de la fase de compactación (derecha).
En la práctica, a causa de las limitaciones de presión y el canal de flujo sin solidificar disponible, no es posible compactar suficiente material en el molde para compensar del todo la contracción. Hay que hacer la cavidad más grande que el tamaño de pieza deseado para tener en cuenta esta contracción sin compensar.
Fase de refrigeración
Aunque la refrigeración del plástico se realiza desde el principio de la fase de llenado, la fase de refrigeración transcurre desde el final de la compactación hasta el momento en que se abren los cierres del molde. Esta fase es el tiempo adicional requerido para enfriar la pieza suficientemente antes de la expulsión. Esto no significa que todas las secciones de la pieza o el sistema de canales tengan que estar completamente solidificadas.
El material del centro de la pieza alcanza su temperatura de transición y se solidifica durante el tiempo de refrigeración.
La velocidad y la uniformidad de refrigeración de la pieza afecta a la calidad y a los costes de producción de la pieza acabada. La refrigeración del molde supone más de dos tercios del tiempo total del ciclo en la producción de piezas de termoplástico moldeadas por inyección.
5.2.2.
Tiempo del ciclo
El tiempo del ciclo es el tiempo total necesario para completar todas las fases del ciclo de moldeado por inyección.
El tiempo del ciclo se compone de las siguientes fases: Tiempo de llenado.
Tiempo necesario para llenar el molde con el polímero. La máquina de moldeado por inyección controla la velocidad (velocidad de flujo) del polímero fundido al introducirse en el molde durante esta fase del ciclo.
Tiempo de compactación.
Fase del ciclo de moldeado por inyección cuando se aplica presión en el polímero fundido para comprimir el polímero y forzar la entrada de más material en el molde. Esto compensa la contracción que se produce cuando se enfría el polímero y pasa de la temperatura de fusión a la temperatura ambiente. Durante la fase de compactación se puede añadir de un 5 a un 25% más de material al molde. La entrada se debe solidificar durante el tiempo de compactación para evitar que el material se salga del molde.
El tiempo de compactación también se denomina tiempo de mantenimiento. Tiempo de refrigeración.
El tiempo de refrigeración es la fase del ciclo de moldeado por inyección en la que no se aplica más presión al polímero. El molde se mantiene cerrado y el polímero sigue enfriándose hasta que se pueda expulsar la pieza.
La fase de refrigeración normalmente es la más larga del ciclo de moldeado y puede abarcar hasta el 80% de la duración total del ciclo.
Tiempo de molde abierto.
Tiempo que el molde está abierto antes de comenzar el siguiente ciclo de moldeado. Este tiempo incluye lo siguiente:
• Abertura del molde
• Expulsión de la pieza
• Preparación para el siguiente ciclo, como cargar los insertos (no siempre forma parte del ciclo)
• Cerrado del molde
5.2.3.
Número de puntos de inyección de polímero
Puesto que cada pieza es diferente, no hay reglas exactas para determinar el número de puntos de inyección de polímero; no obstante, se deben tener en cuenta algunos factores generales.
• Longitud de flujo
La longitud de flujo es la distancia a la que debe fluir el polímero desde el punto de inyección del polímero. En general, las piezas con paredes más espesas pueden tener longitudes de
flujo mayores que las piezas de paredes delgadas porque el material fluirá más fácilmente en las regiones más espesas, tal como se muestra en la figura 5-5.
Las características de flujo del material plástico afectan a la distancia hasta la que fluye un material para un espesor dado. Cuanto más corta sea la longitud del flujo, más entradas serán necesarias para llenar la pieza. Cada material tiene su propia longitud de flujo. Las hojas de datos de los materiales que suministran los proveedores de materiales contienen información sobre las longitudes de flujo que se pueden lograr para cada material específico en un intervalo de espesores.
Las piezas muy grandes, las piezas con paredes más finas y los materiales de mayor viscosidad necesitarán habitualmente más entradas para llenar una pieza.
• Volumen de la pieza
En general, las piezas de mayor volumen necesitan más puntos de inyección del polímero para llenarse correctamente.
• Seleccionar el número correcto de puntos de inyección
En primer lugar se prueba una única entrada en el centroide de flujo del molde, y se comprueba que todas las rutas de flujo se llenen casi en el mismo instante.
Si no se puede cumplir este criterio con una única entrada, se ha de probar con varias entradas. Se divide mentalmente el molde de la pieza en submoldes, (fig. 5-6) con una entrada en el centroide de flujo de cada submolde o en mitad de una cara.
Las dimensiones del sistema de canales deben configurarse de modo que cada submolde se llene casi en el mismo instante, tal como se muestra en el siguiente diagrama.
Las posiciones de las entradas deben lograr valores de contracción uniformes y aceptables en toda la pieza. Cuando existen secciones espesas y delgadas, es una buena práctica colocar la entrada más cerca de las secciones más espesas. De esta forma se evita una compactación insuficiente provocada por la solidificación prematura del material entre la entrada y las regiones más espesas.
• Seleccionar puntos de inyección de polímeros
Dado que los puntos de inyección influyen en gran medida en el modo en que el plástico fluye hacia la cavidad del molde, su posición afecta directamente a la calidad de la pieza. Uno de los objetivos de la selección de los puntos de inyección de polímero es garantizar que todas las rutas de flujo de la cavidad se llenen al mismo tiempo. Esto evita la sobrecompactación a lo largo de las rutas de flujo que, de otra manera, podrían llenarse en primer lugar. Los tres posibles puntos de inyección de polímero del siguiente diagrama de un modelo muestran cómo puede utilizarse el punto de inyección del polímero para facilitar el equilibrado del flujo.
Fig 5-6 Cavidad con 3 puntos de inyección.
El punto de inyección del polímero puede utilizarse también para cambiar la posición de las líneas de soldadura y los atrapamientos de aire, así como para reducir las indecisiones y otros problemas de moldeado. La imagen anterior (fig. 5-7) muestra cómo los puntos de inyección del polímero 1 y 2 provocan que se forme una línea de soldadura a la derecha del modelo, y el punto de inyección del polímero 3 provoca la formación de una línea de soldadura en la parte inferior derecha del modelo. En algunos casos, es necesario tener más de un punto de inyección del polímero. Se puede utilizar otros métodos para facilitar el equilibrado de rutas de flujo, tales como incluir guías de flujo o deflectores de flujo.
• Temperatura del punto de inyección durante las fases de compactación y refrigeración
La temperatura del punto de inyección tiende a la temperatura del molde durante las fases de compactación y refrigeración porque hay un flujo insignificante del cilindro durante estas fases.
La temperatura del punto de inyección afecta al flujo de la masa fundida en la pieza durante la compactación, normalmente reduciendo el flujo. Para obtener valores de deformación realistas, es importante tener en cuenta la temperatura del punto de inyección durante las fases de compactación y refrigeración.
Se utilizan dos cálculos diferentes en función del tipo de modelo que se está analizando. Dual Domain
La restricción de la temperatura de masa fundida inicial en el punto de inyección se omite cuando se ha completado el llenado. El cambio de temperatura del punto de inyección se calcula a partir de la temperatura del molde, así como de los datos de convección y calentamiento de cizalla.
3D
La temperatura del molde y el diámetro cilíndrico del punto de inyección se utilizan para calcular el cambio de temperatura del punto de inyección durante la compactación y la refrigeración. La temperatura de inyección al final del llenado se utiliza como temperatura inicial en el cálculo y sólo se considera la conducción del calor.
5.2.4.
Sistema de canales
El Asistente para sistema de canales nos permite definir los canales, bebederos y entradas básicos para producir un sistema de alimentación completo rápidamente.
